Американские ученые создали аккумулятор на основе жидких металлов, разделенных электролитом из органического вещества, который работает при комнатной температуре. В роли анода выступает сплав натрия с калием, а в роли катода — жидкие сплавы на основе галлия. Исследование опубликовано в Advanced Materials.
В 1800 году Алессандро Вольта соединил проволокой цинковую и медную пластины и опустил их в кислоту, получив первый электрохимический источник тока. Расположив поочередно катоды и аноды, разделенные пропитанным электролитом сукном, ученый создал прародитель современных батарей. С тех пор технологии получения электричества из энергии химических реакций значительно развились. Прошедшей осенью химикам, разработавшим ныне широко применяемые литий-ионные аккумуляторы, вручили Нобелевскую премию.
И все же, аккумуляторы с твердыми электродами имеют ряд недостатков, которые можно частично устранить, если заменить анод и катод на жидкие металлы. Аккумуляторы с такими электродами, в отличие от твердотельных, не образуют дендритов, которые могут приводить к короткому замыканию, могут самовосстанавливаться и работают быстрее. Помимо характеристик вроде высокой энергоемкости и большого числа циклов перезарядки, которые уже демонстрировали создатели жидких аккумуляторов, источники тока должны работать при комнатной температуре.
Юй Дин (Yu Ding) и его коллеги из Техасского университета в Остине создали первый в своем роде аккумулятор, который состояит из жидких электродов и электролита и может работать при 20 градусах Цельсия. Учитывая температуры плавления, распространенность элементов в природе, токсичность и давление паров, исследователи выбрали в качестве отрицательно заряженного электрода сплав натрия с калием, а роль катода выполняли сплавы на основе галлия с индием или оловом.
Схематическое изображение аккумулятора из жидких электродов, разделенных электролитом
Yu Ding et al. / Advanced Materials, 2020
Исследования раздела фаз сплава натрия с калием и органического электролита методом масс-спектрометрии вторичных ионов указали на то, что между ними образуется стабильная двуслойная интерфаза. На протяжении 100 циклов аккумулятор с натриево-калиевым анодом и катодом из сплава галлия и индия стабильно выполнял свои функции. Емкость при этом сохранялась выше 450 миллиампер-час на кубический сантиметр.
По словам авторов, несмотря на относительно высокую стоимость галлия сейчас, их работа показывает возможность создания экологичных аккумуляторов с различными жидкими металлическими электродами. Себестоимость такого электрохимического источника тока можно снизить без значительных потерь в эффективности, заменив индий на более дешевое олово. Исследователи утверждают, что аккумуляторы, в которых в качестве анода будет использован сплав галлия с индием и оловом, смогут вырабатывать электричество даже при отрицательных температурах вплоть до -13 градусов Цельсия.
Больше о химических источниках электроэнергии, их разнообразии и перспективных разработках читайте в нашем материале «Химия и ток».
Алина Кротова
